CN110573637B - Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法 - Google Patents

Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有高刚性的特性，并且延伸率也优异的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法。Al－Si－Fe系铝合金铸造材料具有以下组成，即，所述组成包含：Si：12.0质量％～25.0质量％、Fe：0.48质量％～4.0质量％、Cr：0.17质量％～5.0质量％，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成，并具有Si系结晶物围绕Al－Cr－Si系化合物的组织。

Description

Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法。
背景技术
已知有含有成为过共晶组成的硅(Si)的铝(Al)合金。在Al－Si系铝合金中，Si系化合物(初晶Si)结晶，得到高刚性、低线膨胀性及耐磨耗性(参照专利文献1)。
还已知有通过在Al－Si系铝合金中进一步添加Fe，形成Al－Fe－Si系结晶物，使得高刚性和低线膨胀性也得到提高的Al－Si－Fe系铝合金(参照专利文献2)。
在Al－Si－Fe系铝合金中，当Si或Fe的含量增加时，有可能引起Si系结晶物的粗大化或Al－Fe－Si系结晶物的针状化。因此，为了抑制Si系结晶物的粗大化及Al－Fe－Si系结晶物的针状化，对Al－Si－Fe系铝合金进行磷(P)、锰(Mn)的添加。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7－270209号公报
专利文献2：日本特开平9－324235号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
近年来，在Al－Si－Fe系铝合金中要求更高的刚性和更低的线膨胀性。在Al－Si－Fe系铝合金中，为了得到更高的刚性和更低的线膨胀性，需要使更多的初晶Si及Al－Fe－Si系金属间化合物结晶。为了使这些结晶物大量结晶，需要增加Al－Si－Fe系铝合金中的Si及Fe的含量。但是，当增加Si时，即使增加P的添加量，也不能充分抑制Si系结晶物的粗大化。另一方面，当P的添加量增多时，熔融金属的流动性降低，铸造性变差。另外，为了抑制Al－Fe－Si系结晶物的针状化而增加Mn的添加量时，粗大的Mn系化合物结晶，成为延伸率降低的原因。
因此，在本发明的实施方式中，其目的在于提供一种保持高的钢性或低线膨胀性的特性，并且延伸率也优异的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法。
用于解决技术问题的方案
本发明的第一方式为一种Al－Si―Fe系铝合金铸造材料，其具有以下组成，所述组成包含：
Si：12.0质量％～25.0质量％、
Fe：0.48质量％～4.0质量％、
Cr：0.17质量％～5.0质量％，
剩余部分由Al和不可避免的杂质构成，
包含Si系结晶物围绕Al－Cr－Si系化合物的组织。
作为期望的方式，Cr的含量和Si的含量满足下述式(1)。
Cr＞0.018×Si―0.2···(1)
作为期望的方式，在组织中还包含Al－Fe―Si系结晶物，
所述Al－Fe―Si系结晶物的面积率为5％以上，Al－Fe―Si系结晶物的最大径为30μm以下，所述Si系结晶物的面积率为12％以上，所述Si系结晶物的最大径为100μm以下。
作为期望的方式，Al－Si－Fe系铝合金铸造材料还包含下述的任一种以上的元素：
Cu：0.5质量％～8.0质量％、
Ni：0.5质量％～6.0质量％、
Mg：0.05质量％～1.5质量％、
P：0.003质量％～0.02质量％、
Mn：0.3质量％～1.0质量％、
Ti：0.005质量％～1.0质量％、
B：0.001质量％～0.01质量％、
Zr：0.01质量％～1.0质量％、
V：0.01质量％～1.0质量％。
作为本发明的第二方式，提供一种Al－Si―Fe系铝合金铸造材料的制造方法，其对具有以下组成的铝合金以冷却速度500℃/s以上进行铸造，
所述组成包含：
Si：12.0质量％～25.0质量％、
Fe：0.48质量％～4.0质量％、
Cr：0.17质量％～5.0质量％，
剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。
作为期望的方式，在Al－Si―Fe系铝合金铸造材料的制造方法中，产生与液相线温度相比30℃以上过冷却状态，进行凝固。
发明效果
根据本发明的方式，能够提供保持较高的刚性或低线膨胀性的特性，并且延伸率也优异的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料及其制造方法。
附图说明
图1A是用于说明Al－Si系铝合金铸造材料中Si含量和Si的面积率的关系的说明图。
图1B是用于说明Al－Si系铝合金铸造材料中Si面积率和Si的线膨胀系数的关系的说明图。
图2是说明作为本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料的实施例7中的合金组织的照片的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。以下说明的实施方式的构成要素能够适当组合。另外，有时不使用一部分的构成要素。另外，在以下说明的实施方式中的构成要素中包含本领域技术人员能够容易设想的构成要素、实质上相同的构成要素、所谓均等的范围的构成要素。
本申请的发明人经过了反复深入研究，结果发现，在铸造时使含有Cr的Al－Si－Fe系铝合金骤冷而使其凝固时，Al－Cr－Si系化合物比Si系结晶物先结晶，成为Si系结晶物的结晶核，从而起到抑制粗大化的作用。此外还发现，该作用对于Si的含量超过16％的高Si的铝合金也发挥作用。
此外还发现，通过进行骤冷，在凝固时产生过冷却，Si系化合物和Al－Fe－Si系化合物几乎同时结晶，其结果使得Al－Fe－Si系化合物难以针状化。
因此，本实施方式的铝合金铸造材料，通过在铸造时以冷却速度500℃/s以上冷却而使其凝固，从而具有Si系结晶物与Al－Cr－Si系化合物相接的组织。以下，对本实施方式的铝合金铸造材料进行详细地说明。
(合金组成)
本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金具有以下组成，所述组成包含：12.0质量％以上且25.0质量％以下的Si、0.48质量％以上且4.0质量％以下的Fe、0.17质量％以上且5.0质量％以下的Cr，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。
在本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金中，Si具有提高铸造性的作用，并且作为Si系化合物结晶而具有提高刚性及耐磨耗性的作用，还具有降低线膨胀性的作用。在Si的含量比12.0质量％少的情况下，不能得到充分的Si系化合物的结晶，不能充分地呈现提高刚性及耐磨耗性的作用。反之，当Si的含量超过25.0质量％时，铸造性降低。优选Si含量为14.0质量％以上、更优选Si含量为16.0质量％以上时，能够得到铸造性良好且提高刚性及耐磨耗性的铸造材料。
在本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金中，Fe具有抑制铸造时向模具上烧附的作用，并且具有提高刚性等机械特性的作用。在Fe的含量为0.48质量％以上时该作用显著。当Fe的含量超过4.0质量％时，作为粗大且针状化的Al－Fe－Si系化合物容易结晶，并成为延伸率降低的原因。
对于Cr而言，如果在铸造时骤冷，则作为Al－Cr－Si系化合物结晶，成为Si系化合物的结晶核，发挥抑制粗大化的作用。Cr的含量成为0.3质量％以上时该作用显著。当Cr的含量超过5.0质量％时，作为粗大的Al－(Fe、Cr、Mn)－Si系化合物容易结晶，且成为延伸率降低的原因。
当Cr含量为“0.018×Si―0.2”质量％以下时，因为Al－Cr－Si系化合物的结晶温度为Si系化合物的结晶温度以下，所以Al－Cr－Si系化合物成为Si系化合物的结晶核的作用降低。通过使Cr的含量和Si的含量满足下述式(1)，在凝固时，Al－Cr－Si系化合物比Si系结晶物容易先结晶。
Cr＞0.018×Si―0.2···(1)
在本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金中，为了提高机械的性质，也可以包含除Fe、Cr以外的元素，例如铜(Cu)、镍(Ni)、镁(Mg)、磷(P)、锰(Mn)、钛(Ti)、硼(B)、锆(Zr)、钒(V)中的任一种以上的元素。
由于Cu具有提高机械特性的作用，因此根据需要添加。此外，当与Ni一起添加时，作为Al－Ni－Cu系化合物结晶，还呈现提高刚性及高温强度并且降低线膨胀性的作用。当Cu的含量为0.5质量％以上的添加时，该作用显著。另外，当Cu的含量超过8.0质量％时，形成粗大的化合物，成为延伸率降低的原因。当Cu的含量超过8质量％时，耐腐蚀性也进一步降低。因此，Cu的含量优选为0.5质量％以上且8质量％以下。
Ni具有提高机械特性的作用，因此根据需要添加。当与Cu一起添加时，作为Al－Ni－Cu系化合物结晶，还呈现提高刚性及高温强度并且降低线膨胀性的作用。Ni的含量为0.5质量％以上的添加时，该作用显著。另外，当Ni的含量超过6.0质量％时，由于液相线温度变高，因此铸造性变差。因此，Ni的含量优选为0.5质量％以上且6质量％以下。
Mg具有提高机械特性的作用，因此根据需要添加。在Mg的含量为0.05质量％以上的添加时，该作用显著。另外，当Mg的含量超过1.5质量％添加时，Al的母相变硬，成为延伸率降低的原因。因此，Mg的含量优选为0.05质量％以上且1.5质量％以下。
P作为Al－P系化合物，成为Si系化合物的结晶核，具有Si系化合物的微细化的作用。在P的含量为0.003％的添加时，该作用显著。另外，当P的含量超过0.02质量％添加时，熔融金属的流动性降低，铸造性降低。因此，P的含量优选为0.003质量％以上且0.02质量％以下。
Mn呈现使Al－Fe―Si系化合物块状化的作用。当Al－Fe－Si系化合物为粗大针状时，成为破坏的起点，从而成为延伸率降低的原因，但通过添加Mn进行块状化，延伸率的降低被抑制。Mn的含量为0.3质量％以上的添加时，该作用显著。当Mn的含量超过1.0质量％添加时，形成粗大的Al－(Fe、Mn、Cr)－Si系化合物，成为延伸率降低的原因。
如果包含Ti、B、Zr、V中的任一种以上的元素，则作为结晶粒的微细化材料而发挥作用，具有提高铸造性并且提高机械性作用的作用。Mn优选以0.3质量％以上且1.0质量％以下的范围添加。Ti优选以0.005质量％以上且1.0质量％以下的范围添加。B优选以0.001质量％以上且0.01质量％以下的范围添加。Zr优选以0.01质量％以上且1.0质量％以下的范围添加。V优选以0.01质量％以上且1.0质量％以下的范围添加。
Si系结晶物有助于铸造材料的刚性、耐磨耗性、耐热性等的提高，并且有助于线膨胀性的抑制。Si系结晶物的面积率为12％以上时，该作用显著。
图1A是用于说明Al－Si系铝合金铸造材料中Si含量和Si的面积率的关系的说明图。图1B是用于说明Al－Si系铝合金铸造材料中Si面积率和Si的线膨胀系数的关系的说明图。如图1A所示，当Si含量为14.0质量％以上时，Si系化合物容易结晶，且Si系结晶物的面积率容易成为12％以上。如图1B所示，当Si系结晶物的面积率变大时，线膨胀性变低。当Si系结晶物的面积率为8％左右时，线膨胀系数为21×10－6/℃，如果Si系结晶物的面积率为12％，则线膨胀系数能够比21×10－6/℃小。
但是，当增加Si含量时，Si系化合物容易粗大化。例如，粒径(等效圆直径)超过100μm的Si系结晶物处于组织中时，在向铸造材料施加力时成为破坏的起点，并使铸造材料的延伸率降低。因此，Si系结晶物的粒径(等效圆直径)优选为100μm以下。
Al－Fe－Si系结晶物有助于铸造材料的刚性及耐热性等的提高，并且有助于线膨胀性的抑制。在Al－Fe－Si系结晶物的面积率为5％以上时，该作用显著。另外，粒径(等效圆直径)超过30μm的Al－Fe－Si系结晶物处于组织中时，在向铸造材料本身施加力时成为破坏的起点，并使铸造材料的延伸率降低。通过使本实施方式的合金组成的熔融金属在与液相线温度相比30℃以上的过冷却状态下冷却，Si系化合物和Al－Fe－Si系化合物几乎同时结晶。由此，能够抑制Al－Fe－Si系化合物的针状化，并能够得到粒状的Al－Fe－Si系化合物。
将上述合金组成的合金熔融金属以500℃/s以上冷却而使其凝固时，微细的Al－Cr－Si系化合物结晶。根据X射线衍射分析，Al－Cr－Si系化合物为α－AlCrSi。为了考察α－AlCrSi作为异质核的有效性，如下述表1所示，比较各相的结晶结构以及Si与各化合物的非匹配度。其中，a0为Si的晶格常数，a为作为异质核的Al－P系化合物或Al－Cr－Si系化合物的晶格常数。Al－P系化合物为与Si相同的结晶系，且晶格常数接近。α－AlCrSi为与Si相同的结晶系，但晶格常数a为Si的晶格常数a0的2倍。Al－Cr－Si系化合物的结晶结构为立方晶，Si也为立方晶。因此，将晶格常数a0设为2倍，算出匹配度，本发明的发明人发现了该Al－Cr－Si系化合物的结晶结构与Si系化合物的结晶结构的匹配度高(非匹配度低)。
[表1]
(表1)
Figure GDA0002236987360000071
上述Al－P系化合物也可以成为Si系化合物的结晶核，但相比于Al－P系化合物，Al－Cr－Si系化合物与Si系化合物的结晶结构的匹配度更高。因此，Al－Cr－Si系化合物比Al－P系化合物更适合作为结晶核。
当P进一步添加到上述合金组成的合金熔融金属时，Al－P系化合物会继Al－Cr－Si系化合物而成为结晶核，进而，与Cr单独添加相比，Si系结晶物的数量增加，能够增大Si系结晶物的面积率。
使上述合金组成的合金熔融金属以500℃/s以上冷却而凝固，Al－Cr－Si系化合物成为比Si系化合物的结晶更易结晶的状态，在Si系化合物的结晶时，Al－Cr－Si系化合物作为结晶核起作用。其结果，在成为结晶核的Al－Cr－Si系化合物的周围存在大量Si系化合物。例如，某个Al－Cr－Si系化合物成为结晶核而被Si系结晶物所围绕。此外，也可以为Al－Cr－Si系化合物成为结晶核而被Si系结晶物不完全地围绕。
当Al－Cr－Si系化合物作为结晶核起作用时，抑制Si系结晶物的粗大化。因此，即使增加Si含量，本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金的拉伸强度等也很高而为高刚性，并能够抑制延伸率的降低。而且，在本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金中，能够增大Si系结晶物的面积率，得到低线膨胀性的特性。
如以上的说明，在本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金中，上述合金组成的熔融金属的冷却速度为500℃/s以上，由此，与Si系化合物的结晶结构的匹配性高的微细的Al－Cr－Si系化合物结晶，并成为Si系化合物的结晶核。
为了将熔融金属的冷却速度设为500℃/s以上，进行模具的温度调整即可。例如，本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料能够通过压铸等进行铸造。
在本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金中，当熔融金属的冷却速度成为500℃/s以上时，容易产生与上述合金组成的熔融金属的液相线温度相比30℃以上过冷却状态。经过该过冷却状态，Si系化合物和Al－Fe－Si系化合物几乎同时结晶。认为Si系化合物和Al－Fe－Si系化合物的结晶温度差为55℃左右，通过产生与液相线温度相比30℃以上过冷却状态而使合金组成的熔融金属凝固，使Si系化合物和Al－Fe－Si系化合物的结晶温度差变小。因此，使得Si系化合物和Al－Fe－Si系化合物容易同时结晶。例如，液相线温度为642℃。由此，相互抑制粗大化，并抑制Al－Fe－Si系化合物的针状化。
[实施例]
接着，对本发明的实施例进行说明。作为实施例1～实施例7及比较例1、2，熔炼具有表2所示的合金元素量的合金组成且剩余部分为Al的合金组成的熔融金属，以冷却速度为500℃/s以上、与液相线温度相比过冷却状态30℃以上的方式进行压铸，得到铸件。实施例1～实施例7及比较例1、2的各铸造温度为780℃。
[表2]
Figure GDA0002236987360000101
在实施例1～实施例7及比较例1、2中，通过根据JIS Z2241的试验法，测定实施例1～实施例7及比较例1、2的Al－Si―Fe系铝合金铸造材料的拉伸强度、延伸率，并将测定结果示于表2。
在实施例1～实施例7及比较例1、2中，通过光学显微镜观察并拍摄合金组织，使用Carl Zeiss制造的图像分析软件KS400对拍摄的图像测量Si系结晶物及Al－Fe－Si系化合物的等效圆直径，将测量的粒径的最大径分别作为大小示于表2。
在实施例1～实施例7及比较例1、2中，通过光学显微镜观察并拍摄合金组织，使用上述图像分析软件求出Si系结晶物及Al－Fe－Si系化合物的每单位面积的面积率，并示于表2。
如表2所示，与实施例1～实施例7的合金组成相比较，比较例1的Cr的含量比0.17质量％少。因此，可知比较例1的Si系结晶物的粒径超过100μm，粒径粗大化。还可知比较例1的Al－Fe－Si系化合物的粒径超过30μm，粒径粗大化。并且可知比较例1的拉伸强度及延伸率比实施例1～实施例7中任一实施例的拉伸强度及延伸率小。
如表2所示，与实施例1～实施例7的合金组成相比较，比较例2的Cr的含量超过5.00质量％。因此，可知比较例2的Al－Fe－Si系化合物的粒径超过30μm，粒径粗大化。而且可知比较例2的拉伸强度及延伸率比实施例1～实施例7中任一实施例的拉伸强度及延伸率小。
图2是作为本实施方式的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料即实施例7的合金组织的照片。在图2所示的合金组织中，观察粒状的Al－Fe－Si系化合物。在Al－Cr－Si系化合物的周围存在大量Si系化合物。在图2所示的合金组织中，能够观察到Al－Cr－Si系化合物被Si系结晶物所围绕的状态。另外，在图2中，虽然Al－Cr－Si系化合物没有完全被Si系结晶物所围绕，但是能够观察到Al－Cr－Si系化合物在与Si系结晶物相接的状态下存在的状态。对于Al－Cr－Si系化合物，以n数为8调查组成，结果推定为Al13－15Cr4Si4－5的范围，当根据Al－Cr－Si三元系状态图判断时，推定为α－AlCrSi(Al13Cr4Si4)。
以上例示了本发明的各种有用的实施例并进行了说明。本发明不限定于上述各种实施例及变形例，不言而喻，在不脱离本发明的宗旨以及附加的权利要求所记载的内容的范围之内可以进行各种变形。

Claims (4)

1.一种Al－Si―Fe系铝合金铸造材料，其特征在于，具有以下组成，所述组成包含：
Si：12.0质量％～25.0质量％、
Fe：0.48质量％～4.0质量％、
Cr：0.35质量％～5.0质量％，
剩余部分由Al和不可避免的杂质构成，
包含Si系结晶物围绕Al－Cr－Si系化合物的组织，
在组织中还包含Al－Fe―Si系结晶物，
所述Al－Fe―Si系结晶物的面积率为5％以上，Al－Fe―Si系结晶物的最大径为30μm以下，所述Si系结晶物的面积率为12％以上，所述Si系结晶物的最大径为100μm以下。
2.如权利要求1所述的Al－Si―Fe系铝合金铸造材料，其特征在于：Cr的含量和Si的含量满足下述式(1)，
Cr＞0.018×Si―0.2···(1)。
3.如权利要求1或2所述的Al－Si－Fe系铝合金铸造材料，其特征在于，还包含下述的任一种以上的元素：
Cu：0.5质量％～8.0质量％、
Ni：0.5质量％～6.0质量％、
Mg：0.05质量％～1.5质量％、
P：0.003质量％～0.02质量％、
Mn：0.3质量％～1.0质量％、
Ti：0.005质量％～1.0质量％、
B：0.001质量％～0.01质量％、
Zr：0.01质量％～1.0质量％、
V：0.01质量％～1.0质量％。
4.一种Al－Si－Fe系铝合金铸造材料的制造方法，其特征在于：
对具有以下组成的铝合金以冷却速度500℃/s以上进行铸造，产生与液相线温度相比30℃以上过冷却状态，使其凝固，
所述组成包含：
Si：12.0质量％～25.0质量％、
Fe：0.48质量％～4.0质量％、
Cr：0.35质量％～5.0质量％，
剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。
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